激光照排與固體臨界表面張力的關(guān)系

激光照排與固體臨界表面張力的關(guān)系

1數(shù)碼噴墨直接制網(wǎng)自20世紀(jì)90年代初以來(lái)，以激光照為主要技術(shù)特征的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始在中國(guó)開發(fā)。圖1顯示了流程。但近幾年來(lái)制網(wǎng)技術(shù)已不再局限于以激光照排制為主的間接制網(wǎng)方式,隨著噴墨技術(shù)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,各種噴墨打印頭的新品不斷推出,使得利用噴墨技術(shù)直接制網(wǎng)成為可能。噴墨制網(wǎng)方式是通過電腦分色(CAD)系統(tǒng)產(chǎn)生各套色圖像文件,再由噴墨制網(wǎng)系統(tǒng)直接將套色圖像信息轉(zhuǎn)換成墨滴,噴射在涂好感光膠的平網(wǎng)網(wǎng)框或圓網(wǎng)鎳網(wǎng)上,經(jīng)感光沖網(wǎng)即成。其工藝流程如圖2所示。數(shù)碼直接噴墨制網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用不僅大大縮短了從樣稿提供到網(wǎng)版制成的周期,同時(shí)墨水的成本也遠(yuǎn)低于激光照排的膠片成本。重要的是,對(duì)于環(huán)保方面更有它的優(yōu)勢(shì)。數(shù)碼噴墨直接制網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)在于噴墨打印系統(tǒng),其主要工作框圖如圖3所示。了解墨水、供墨過程、噴頭及高壓波形控制電路,是掌握和駕御該設(shè)備的關(guān)鍵。為此,本文針對(duì)國(guó)內(nèi)引進(jìn)的瑞士ScreenMaster數(shù)碼噴墨制網(wǎng)機(jī)的這些部件作一分析。2表面張力、粘度墨水是否適合噴頭噴射,主要由其表面張力、粘度、粒度所決定。由于粒度較易控制,而表面張力、粘度則因受多種添加劑的影響,不易直接控制到位,如這兩個(gè)參數(shù)不在設(shè)定范圍內(nèi),則墨水很難適應(yīng)噴頭,故對(duì)這兩個(gè)參數(shù)有必要進(jìn)行一些分析。2.1表面張力表面張力是墨水重要的內(nèi)在性質(zhì)之一,它對(duì)于噴頭的潤(rùn)濕、介質(zhì)的潤(rùn)濕、流平有著密切相關(guān)的聯(lián)系。2.1.1動(dòng)態(tài)表面張力表面張力分為靜、動(dòng)二態(tài),當(dāng)表面積沒有變動(dòng)時(shí),所測(cè)張力為靜態(tài)表面張力,即常稱的“表面張力”。當(dāng)表面積變動(dòng)時(shí),所測(cè)張力為動(dòng)態(tài)表面張力。對(duì)于墨水能否充滿噴頭這一過程主要考慮墨水與噴頭的潤(rùn)濕性匹配是否良好。而對(duì)于墨水噴射到介質(zhì)(感光膠)后墨滴面積迅速擴(kuò)大,這時(shí)則以動(dòng)態(tài)表面張力考慮為主。2.1.2固體臨界表面張力s不僅液體有表面張力,固體也有,但無(wú)法測(cè)之,而Zisman提出了“固體臨界表面張力”的概念,以衡量這不能直接測(cè)量的固體表面張力。墨水與噴頭相接觸,噴頭自身與空氣相的表面張力設(shè)為γS,噴頭與墨水相的表面張力設(shè)為γSL,墨水與空氣相的表面張力設(shè)為γL。在平衡態(tài)下,這些力的關(guān)系為:γS=γSL+γL·cosθ(1)當(dāng)接觸角為零時(shí),則液體的表面張力γL接近固體表面張力γS。這時(shí)的液體表面張力就是Zisman提出的固體臨界表面張力γS,即:γC=γS-γSL通常用固體臨界表面張力來(lái)衡量固體表面張力。由于固體表面性質(zhì)還隨所處環(huán)境而異,故用“潤(rùn)滑張力”來(lái)稱呼。2.1.3潤(rùn)濕張力的測(cè)定在充墨過程中,其中一條參數(shù)要考慮到墨水與噴頭潤(rùn)濕相匹配,即墨水與噴頭內(nèi)固體物質(zhì)有著良好的潤(rùn)濕(即展布)。設(shè)固體表面能為E1,經(jīng)液體潤(rùn)濕后為E2,則二者接觸后的表面能差為ΔE,ΔE稱為展布系數(shù)(S)。則:E1=γSE2=γS+γSLS=ΔE=E1-E2=γS-(γSL+γL)=(γS-γSL)-γL(2)式中(γS-γSL)為潤(rùn)濕張力。S=0時(shí),γS-γSL=γL,即液體表面張力等于固體表面的潤(rùn)濕張力。這時(shí)噴嘴內(nèi)固體物的表面能在與墨水接觸后沒有改變。所以墨水在其表面不會(huì)自由展布(即流動(dòng)),只有借助重力,使墨水在噴嘴內(nèi)流動(dòng)。S<0時(shí),則γL>(γS-γSL)。即墨水表面活力大于固體表面潤(rùn)濕張力。此時(shí),墨水與噴嘴接觸后的表面將增加體系的表面能。為了順應(yīng)趨向最小的規(guī)律,這時(shí)墨水會(huì)回縮,阻止墨水在噴嘴內(nèi)的流動(dòng)。S>0時(shí),則γL<(γS-γSL),即墨水表面張力小于固體表面張力。這時(shí)墨水即使受外力(如充墨過程的吸墨),也能自由流動(dòng)。2.2墨水流量的影響墨水屬于牛頓流體,墨水的宏觀特性——粘性規(guī)律符合牛頓粘性公式:其中τ是切應(yīng)力(Pa),dudydudy是剪切變形速度(s-1),μ是動(dòng)力學(xué)粘性系數(shù)(Pa·s)。從式(3)中可知墨水在墨道中流動(dòng)時(shí),其相鄰兩層液體作相對(duì)滑動(dòng)即剪切變形時(shí),在相反方向產(chǎn)生一切向應(yīng)力,以阻止變形的發(fā)生。其阻力以動(dòng)力粘性系數(shù)μ來(lái)表現(xiàn)。實(shí)際工作中噴頭要求最大供墨量達(dá)0.3ml/min。墨水的流量L應(yīng)滿足下式:L=∫0Rω?2πr?dr=ΔPπ8μlR4(4)L=∫0Rω?2πr?dr=ΔΡπ8μlR4(4)式中:ΔP為壓差(Pa),R為圓管半徑(m),l為管長(zhǎng)(m),μ為粘性系數(shù)(Pa·s)從式(4)可知,供墨在供墨管內(nèi)作層流運(yùn)動(dòng)時(shí),其流量與壓差及供墨管徑4次方成正比,而與供墨管長(zhǎng)及墨水的粘性系數(shù)成反比。不同的墨水具有不同的粘性系數(shù),不同的噴頭需要不同的粘性系數(shù)與之相適配。2.3螺釘驅(qū)動(dòng)電路表面張力與溫度有關(guān),它隨溫度上升而下降。粘性系統(tǒng)μ顯著地依賴于溫度,隨著溫度的升高,粘性系數(shù)近似地按指數(shù)規(guī)律下降。因此實(shí)際工作中噴頭工作電壓要隨溫度變化而作補(bǔ)償,使得在不同溫度條件下每個(gè)噴嘴都能獲得相同的出墨量,參見后述噴頭驅(qū)動(dòng)電路。表1所列是一種專用的噴墨制網(wǎng)墨水兩個(gè)基本參數(shù)與溫度的關(guān)系。表中所示溫度對(duì)表面張力影響較小,而對(duì)粘性系數(shù)μ影響較大。2.4紫外光對(duì)織物的固化由墨水在網(wǎng)版上所構(gòu)成的圖案,其主要功能是在感光時(shí)能阻擋紫外光對(duì)這部分圖案下的感光膠發(fā)生固化作用。常用的制網(wǎng)感光膠其固化波長(zhǎng)在312～354nm,所以制網(wǎng)的墨水對(duì)這一波段的紫外光要有效地阻擋。3給墨水系統(tǒng)3.1緩沖帶研墨權(quán)圖4中展示了供墨系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu):在儲(chǔ)墨盒中裝有一定量的墨水,通過調(diào)節(jié)墨道內(nèi)的壓力大小,可控制供墨量。墨水從儲(chǔ)墨盒出來(lái)后,通過管道流到過濾緩沖盒。因緩沖盒中裝有海綿,可過濾墨水中雜質(zhì),同時(shí)還可調(diào)節(jié)供墨量的多少。緩沖盒與噴頭直接相連,噴頭工作時(shí),在噴頭內(nèi)腔會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的負(fù)壓差,這一壓差將把墨水從過濾緩沖墨盒中的海綿體中奪取供給噴頭。這時(shí),在儲(chǔ)墨盒與過濾、緩沖墨盒間的墨道中壓力會(huì)變得更負(fù),該負(fù)壓差達(dá)到一定值,將把儲(chǔ)墨盒中墨水吸入緩沖盒。周而復(fù)始,使得噴頭能正常工作。3.2墨道壓力pan通常儲(chǔ)墨盒中應(yīng)加入4/5總?cè)莘e的墨水,用抽氣管道插入快裝式單向氣閥孔(圖4中1)可調(diào)節(jié)墨道中的壓力Pin。當(dāng)壓力降低時(shí)墨水會(huì)沿著墨道外側(cè)壁爬高至上端口,這時(shí)儲(chǔ)墨盒中的墨水在與大氣相通面所承受的壓力均為正常的大氣壓Po,而在墨道中氣壓已變Pin。從理論上來(lái)說(shuō)二者的差值即為液位差(圖4中h1)所反映的壓力差Ph1:式中:Po為液面壓力(大氣壓力)(Pa);Pin為墨道壓力(絕對(duì)壓力)(Pa);ρ為墨水密度(kg/m3);g為重力加速度(m/s2)。在正常工作中,隨著噴墨工作不斷進(jìn)行,儲(chǔ)墨盒中的墨水液面也在不斷地下降。這樣它與墨道管口上端的位差(圖4中h1)也在不斷加大,從式(5)中可見,要使系統(tǒng)還能正常供墨,則要使墨道壓力(Pin)不斷變得更負(fù)才行。因墨水比重比水略重一點(diǎn),約為1.06左右,通常可近似地認(rèn)為二者密度基本相近。所以在工作過程中,墨道中壓力Pin總是低于一個(gè)大氣壓。而這一負(fù)壓是由噴墨頭不斷工作才產(chǎn)生的,它有一定的極限值。故為保證穩(wěn)定供墨,要盡可能使貯墨盒中的液位保持在一定范圍內(nèi),實(shí)際工作中應(yīng)使它的貯墨液位差不大于1cm。要注意的是:通常墨道中存在著一定量空氣,這部分空氣將使墨道壓力Pin隨外界環(huán)境變化而改變,變化規(guī)律為:式中:V為墨道中氣體容量(m3);Ro為氣體常數(shù)(J/K);T為工作溫度(K)由式(6)可知,因晝夜溫差變化會(huì)使墨道中氣壓Pin發(fā)生變化而影響供墨。若氣溫升高,則壓力Pin、容積V也上升,反之則下降。這一干擾會(huì)影響到正常供墨的液位位差值。供墨管道內(nèi)的壓力正常時(shí)必須低于一個(gè)大氣壓,若管道接頭處密封有問題,則會(huì)升高墨道內(nèi)壓力而導(dǎo)致供墨不良現(xiàn)象發(fā)生。一旦漏氣量大于噴頭所產(chǎn)生的負(fù)壓量,則供墨將發(fā)生嚴(yán)重障礙。3.3貯墨水緩沖盒的調(diào)峰作用過濾緩沖盒由EpsonStyluscolor800型打印機(jī)的彩盒(S020089)為基盒改裝而得。為了與墨道相連,在它的上面裝了一個(gè)上接頭部件,盒中的海綿體可吸取約30ml的墨水。海綿體同時(shí)還要起到濾墨水中大塊雜質(zhì)的作用。在每次打開電源工作始,噴頭吸取海綿中的墨水來(lái)補(bǔ)充其所噴射掉的墨水。因這時(shí)供墨管中負(fù)壓還不足以把貯墨盒中墨水吸入緩沖盒,當(dāng)工作一定時(shí)間,有足夠負(fù)壓時(shí),則墨水才會(huì)被吸入到緩沖盒中。所以在這一期間,緩沖盒起到補(bǔ)充供墨不及時(shí)的作用。但有時(shí)因多種原因?qū)е鹿┠苤胸?fù)壓變得較負(fù)時(shí),會(huì)有過量墨水加入到過濾緩沖盒中,這時(shí)緩沖盒能吸取這些過量墨水,故緩沖盒還起到了類似水庫(kù)的調(diào)峰作用。當(dāng)然,海綿體中的墨水過少,將會(huì)發(fā)生噴頭吸取墨水不足,導(dǎo)致噴墨斷線。反之,當(dāng)海綿體中墨水過量(大于40ml),則無(wú)法吸吮因過負(fù)壓而吸入的墨水,這些過量的墨水會(huì)直接從噴頭中流出。嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生虹吸現(xiàn)象。即不工作時(shí),貯墨盒中的墨水會(huì)不斷地自己流入緩沖盒中,并從噴頭流出到廢液瓶。發(fā)生虹吸現(xiàn)象的原因是:平時(shí)緩沖盒中墨水已飽和,且墨水高度(圖4中h2),與噴頭位差在5cm以上。由于Piezo噴頭的墨水特性是表面張力小,粘度大(均相對(duì)于電熱型噴頭的墨水),在這一位差壓力作用下,墨水會(huì)沖破噴頭孔表面與墨水的靜態(tài)表面張力,而流向外面。一旦墨水流動(dòng)時(shí),它的動(dòng)態(tài)表面張力將遠(yuǎn)小于靜態(tài)表面張力,則更加容易流動(dòng),從而導(dǎo)致墨水不斷流出噴孔。所以控制好緩沖盒中的墨水量是一件重要工作。4壓電式螺釘噴孔噴噴法噴頭技術(shù)是噴墨制網(wǎng)的關(guān)鍵。噴墨打印技術(shù)大致分為兩大類:液態(tài)噴墨和固態(tài)噴墨。液態(tài)噴墨打印方式主要分為電熱式和微壓電式。固態(tài)噴墨技術(shù)在制網(wǎng)業(yè)的應(yīng)用有其優(yōu)點(diǎn),但其設(shè)備成本與維護(hù)費(fèi)用較高,可靠性相對(duì)較低。而液態(tài)噴墨技術(shù)則能更好地避免上述問題。瑞士ScreenMaster數(shù)碼噴墨制網(wǎng)機(jī)就是把液態(tài)噴墨技術(shù)應(yīng)用于制網(wǎng)業(yè)上,它采用微壓電式噴頭。壓電噴頭的工作過程為:將供墨系統(tǒng)送來(lái)的墨水經(jīng)濾網(wǎng)到儲(chǔ)墨區(qū),再由壓電元件將振動(dòng)墨道內(nèi)的墨水通過墨道送至噴墨孔噴射出去,圖5為噴墨打印頭的基本結(jié)構(gòu)。壓電式噴頭的壓力波是位于振動(dòng)板上片狀壓電片的撓性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生,其工作原理可視為金屬隅片相同,在電壓脈沖的作用下振動(dòng)板應(yīng)保證振動(dòng)方向呈弓形的變化量達(dá)1μm。從電壓脈沖引起的換能器效應(yīng)來(lái)看,壓電片有點(diǎn)與電容器相類似(實(shí)測(cè)每極片約500PF)。施加不同電壓脈沖可使壓電片下的振動(dòng)墨道截面收縮或擴(kuò)張,壓電片對(duì)電壓的反應(yīng)是很快的,但對(duì)壓電片施加電壓后,不可能立即使墨水噴出或吸回,總會(huì)產(chǎn)生一定滯后。在振動(dòng)墨道內(nèi)產(chǎn)生的過壓力或負(fù)壓的效應(yīng),可視作聲波在液體中發(fā)生傳播現(xiàn)象。這種波在振動(dòng)墨道中的傳播遵守聲學(xué)定律。這樣對(duì)壓電片施加單一極性的電壓脈沖將會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)極性的壓力。為了產(chǎn)生有效的墨滴,作用的電壓脈沖、噴嘴材料、幾何尺寸,以及墨水性能必須嚴(yán)格匹配。壓電式噴頭工作壽命遠(yuǎn)大于電熱式噴頭,一般每個(gè)噴頭(以EPSON的Piezo64×3孔為例)至少可工作2000h。壓電晶體因不同方向、不同厚薄及其它物理特性不同,使得每一壓電晶體具有不同的靈敏度,所以每個(gè)噴頭要產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)墨滴其高壓驅(qū)動(dòng)電壓和脈沖寬度是不同的,一般高壓值為20～30V之間。每個(gè)噴頭的標(biāo)準(zhǔn)墨滴、頻率、微量墨滴的ID值均記錄在噴頭上,使用時(shí)應(yīng)將這些數(shù)值置入到控制電路的EEPROM中。5工作過程框圖噴頭中各孔是否參與噴射、每個(gè)墨滴的量值大小、工作穩(wěn)定性等均由噴頭驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制的。圖6是制網(wǎng)機(jī)的打印頭驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。它的工作過程框圖見圖7。打印頭驅(qū)動(dòng)電路主要由公共驅(qū)動(dòng)電路IC3(HBD2813C)和打印頭上的噴嘴選擇電路IC4、IC5(IR2C72C、IR2C73C)組成。公共驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)IC2門陣列發(fā)出的控制信號(hào)產(chǎn)生梯形高壓脈沖,并傳送到打印頭的噴嘴選擇電路。與此同時(shí),所打印的數(shù)據(jù)在門陣列中已把它轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)也傳送給噴嘴選擇電路,去激勵(lì)那些需要噴射墨水的壓電極板。5.1普通點(diǎn)、微點(diǎn)模式公共驅(qū)動(dòng)電路是利用6個(gè)不同信號(hào)CHG、ND1、ND2、MD1、MD2和CKC的輸入組合來(lái)產(chǎn)生梯形高壓波。梯形波可有7種不同組合,分別用于產(chǎn)生普通墨點(diǎn)、微點(diǎn)、微波點(diǎn)模式打印。在噴墨制網(wǎng)中,主要使用普通點(diǎn)模式,當(dāng)單個(gè)普通點(diǎn)激勵(lì)時(shí),每個(gè)墨滴大約為25Pl的墨量,若感受到墨量不足時(shí),可采用雙普通點(diǎn)模式。每個(gè)梯形波的變化依賴于所組合信號(hào)的寬度,上升波形由CHG和CKC決定,與打印模式無(wú)關(guān)。下降沿由2組不同信號(hào)決定,在普通點(diǎn)模式下,由ND1、ND2決定;在微點(diǎn)模式下由MD1、MD2決定。如前所述,晶體各個(gè)方向上的靈敏度不一致性,使得每個(gè)壓電噴頭只有一組唯一的高壓調(diào)整值,它被存放在主控板上的EEPROM中。工作時(shí),被讀入門陣列,并轉(zhuǎn)換成8位串行數(shù)據(jù),通過SDATA口去設(shè)置公共驅(qū)動(dòng)電路。一旦這些值被確定,驅(qū)動(dòng)高壓梯形波也被調(diào)整到位,噴射的墨量也被確定。5.2噴嘴選擇電路打印數(shù)據(jù)從門陣列IC2(E05B3SCB)的D0～D15口輸入,并由它轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù),再由DATA1～DATA3端口輸出到噴嘴選擇電路。數(shù)據(jù)從IC2門陣列送到噴嘴選擇電路IC4、IC5是以64bit/2.5MHz方式,并與CLK(時(shí)鐘)和LAT(鎖存)同步,見圖8中時(shí)序波形。在一個(gè)周期中,每路64個(gè)串行數(shù)據(jù)決定了該路中那個(gè)噴嘴被選中(高電平有效),在高壓梯形波作用下選中噴嘴會(huì)噴射墨滴。這一周期大約要花費(fèi)70μs(單個(gè)通道點(diǎn)打印模式)。5.3溫度條件的確定當(dāng)溫度下降時(shí),墨水的粘度會(huì)明顯加大,若在同一打印模式下,高壓梯形波不太會(huì)有大的變化